авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 8 |

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА ...»

-- [ Страница 2 ] --

Р. Фаулер: «Я хотел бы изложить вам, в чем может нам в дискуссии о строении и свойствах ядра помочь новая квантовая теория. Этот вопрос уже был намечен председателем в его вступительном слове. Я хотел бы несколько развить его. Первое, что надо иметь в виду, это то, что новая квантовая механика развилась логическим путем, основываясь на свойствах электронов в атомах. Мы должны предположить, что частицы имеют много свойств, присущих волнам. Назовем ли мы их частицами или волнами, это дело вкуса, Выбор названия, скорее всего, зависит в каждом отдельном случае от их состояния. Раз частицы похожи на волны, мы должны ожидать, например, что они не всегда отразятся от барьеров определенной высоты. Они могут пройти сквозь барьер, конечно, только в некоторых случаях..

То, что частицы могут проходить через такого рода барьер, очень важно для объяснения явления испускания -частиц тяжелыми ядрами.

Если представить себе ядро так, как мы уже говорили здесь сегодня, в виде некоторого небольшого ящика, окруженного до всех сторон (в трех измерениях) силовым барьером, то можно положить, что внутри него находится -частица, которую надо представлять себе в виде волны, энергия которой меньше потенциальной энергии верхней части барьера. По классической теории, -частица навеки останется внутри барьера. Но по квантовой теории существует конечная вероятность того, что волна пройдет через тонкую стенку и уйдет в бесконечность. Эта мысль лежит в основе квантовой теории испускания -частиц. Идея эта была высказана независимо друг от друга Гамовым – с одной стороны и Герней и Кондоном – с другой. Всё они, и в особенности Гамов, разработали ее довольно детально.

Когда -частица проходит сквозь барьер, ее, конечно, нельзя уже отожествлять со стоячей волной. Правильно будет изображать -частицу затухающим колебанием. Мы будем внутри барьера иметь затухающее колебание, т.е. гармоническое колебание с обыкновенным коэффициентом затухания, а снаружи очень слабую волну, соответствующую испусканию -частицы. На самом деле задачу эту можно решить очень хорошо, причем коэффициент затухания получается в виде мнимой части энергии. Это было с большим успехом проделано Гамовым.

Он нашел, что для этих вычислений не имеет большого значения, какой именно вид вы предположите у внутренней части барьера. Главная же наружная часть его хорошо известна из опытов над рассеянием -частиц.

Вероятность для -частицы проникнуть через барьер, в сильной мере зависит от энергии -частицы. Чем больше ее энергия, тем тоньше барьер, который ей надо пройти, и тем меньше его высота. Поэтому, очевидно, существует очень тесная связь между энергией -частицы, о которой мы судим по энергии вылетевшей -частицы, и между вероятностью для этой -частицы пробраться наружу, о которой мы судим по продолжительности жизни атома. Это и есть закон Гейгера-Неттола.

В заключение скажу, что это очень красивая теория, и что мы можем быть абсолютно уверены' в том, что в общих чертах она правильна.

Большая заслуга этой теории в том, что она дает закон Гейгера-Неттола совершенно независимо от деталей строения ядра».

По мере того, как появлялись новые экспериментальные данные по спинам и магнитным моментам атомных ядер, трудности протон-электронной модели в описании этих характеристик атомных ядер нарастали. Особенно ярко это проявилось в так называемой «азотной катастрофе». Суть её состояла в следующем. Согласно протон-электронной модели ядро 14 N должно состоять из 14 протонов и 7 электронов. Так как и протон, и электрон имеют собственное значение спина J = 1 / 2, полный спин ядра 14 N должен иметь полуцелое значение, в то время как экспериментально измеренное значение спина ядра J ( 14 N) = 1. Были и другие примеры расхождений предсказаний протон-электронной модели ядра с результатами эксперимента.

Так, например, все атомные ядра, имеющие четное значение массового числа A, имели нулевое или целочисленное значение спина J, в то время как протон-электронная модель ядра в большинстве случаев предсказывала полуцелое значение спина. Измеренные значения магнитных моментов ядер оказались почти в 1000 раз меньше, чем предсказывала протон-электронная модель ядра. Стало ясно, что протон-электронная модель ядра содержит какую-то неправильную компоненту. Определенные неудобства создавали электроны, находящиеся в ограниченном объёме атомного ядра. Заточение электронов в ядре противоречило принципу неопределенности px =.

Э. Резерфорд, 1932 г.: «Дело представляется так, как если бы электрон внутри ядра вел себя совсем отлично от электрона на периферии атома. Эта трудность может быть создана нами самими, так как мне кажется более вероятным, что электрон не может существовать в свободном состоянии в устойчивом ядре, но должен быть всегда соединенным с протоном или другой возможной массивной единицей. В этой связи замечательны указания на существование нейтронов в некоторых ядрах. Наблюдение Бека, что в построении тяжелых элементов из легких электроны прибавляются парами, представляет большой интерес и подсказывает, что для образования устойчивого ядра существенно нейтрализовать большой магнитный момент электрона прибавлением другого электрона. Возможно также, что незаряженные единицы массы 2 и нейтроны массы 1 являются вторичными единицами в структуре ядра».

Как показали дальнейшие события, представление Резерфорда о том, что может образовываться сильно связанное состояние протона и электрона, было ошибочным. Тем не менее, оно сыграло решающую роль в открытии нейтрона. В 1930–1932 гг. Боте и Беккер обнаружили, что при облучении -частицами бериллия Be образуется сильно проникающее нейтральное излучение. Все обнаруженные до сих пор излучения сильно поглощались тонкими слоями свинца, в то время как излучение из бериллия свободно проходило сквозь толстую свинцовую защиту. Возникло подозрение, что это новый вид электромагнитного излучения.

Решающий эксперимент был выполнен в 1932 г. учеником Резерфорда Чадвиком. С помощью ионизационной камеры он измерил энергию отдачи ядер водорода и азота под действием нейтрального излучения из бериллия и показал, что в результате реакции 4 Be + 2 He 6 C 6 C + n 9 4 13 образуются быстрые нейтральные частицы с массой, приблизительно равной массе атома водорода. Эти частицы, названные нейтронами, не имеют электрического заряда, свободно проходят через атомы, не производя ионизацию на своем пути.

Дж. Чадвик, 1932 г.: «Недавно было обнаружено, что разложение элементов бериллия и бора представляет особый интерес. Боте и Беккером было найдено, что эти элементы, бомбардируемые -частицами полония, испускают проницающую радиацию, по-видимому, -типа. Несколько месяцев тому назад И. Кюри-Жолио и Ф. Жолио сделали поразительные наблюдения, показывающие, что это излучение имеет свойство выбрасывать протоны с большими скоростями из вещества, содержащего водород. Ими было найдено, что выбрасываемые радиацией бериллия протоны имеют скорости до 3·109 см/сек. Кюри и Жолио предположили, что это выбрасывание протона происходит благодаря процессу, аналогичному эффекту Комптона, и пришли к заключению, что радиация бериллия имеет квант с энергией около 50 млн. вольт-электронов. Принятие этого допущения вызывает две серьезных трудности. Во-первых, известно, что рассеяние кванта электроном хорошо описывается формулой Клейна-Нишина, и нет оснований предполагать, что сходные отношения не будут правильными для рассеяния протона. Наблюдаемое рассеяние, однако, слишком велико по сравнению с тем, какое дается формулой Клейна-Нишины. Во-вторых, трудно понять испускание кванта столь высокой энергии при превращении 9 4 Ве + Не С + квант. Поэтому я изучил свойства этой радиации, пользуясь особым счетчиком. Было найдено, что радиация выбрасывает частицы не только из водорода, но из гелия, лития, бериллия и т. п. и предположительно из всех элементов. Во всех случаях частицы, по видимому, являются атомами отдачи элемента. По-видимому, невозможно приписывать выбрасывание этих частиц отдачи столкновению с квантом радиации, если энергия и импульс сохраняются при ударе.

Удовлетворительное объяснение экспериментальных результатов может быть получено, если предположить, что радиация состоит не из квантов, но из частиц с массой 1 и зарядом 0, – нейтронов. В случае двух элементов, водорода и азота, пробег атомов отдачи был измерен с большой степенью точности, и отсюда были выведены их максимальные скорости.

Они оказались соответственно 3,3·109 см/сек и 4,7·108 см/сек. Пусть М, V будет масса и скорость частицы, из которых состоит радиация. Тогда максимальная скорость, которая может быть сообщена при столкновении ядру водорода, будет:

2M UH = V M + а для азота:

2M UN = V, M + отсюда:

2 M + 14 U H 3,3 = =, M +1 U N 4, 7 и M = 1,15.

В пределах ошибок опыта М может быть принято за 1 и поэтому:

V = 3,3·109 см/сек.

Так как радиация, обладает крайне большой проницающей силой, то частицы должны иметь заряд очень малый по сравнению с зарядом электрона. Предполагается, что этот заряд равен 0, и мы можем допустить, что нейтрон состоит из протона и электрона в очень тесной комбинации.

Имеющиеся факты сильно поддерживают гипотезу о нейтронах. В случае бериллия, процесс превращения, который дает эмиссию нейтронов, есть Be9 + He4 C12 + нейтрон. Можно показать, что наблюдения совместимы с энергетическими соотношениями в этом процессе. В случае бора, процесс превращения, вероятно, есть В11 + Не4 N14 + n1;

в этом случае массы В11, Не4 и N14 известны из измерений Астона, кинетическая энергия частиц может быть найдена экспериментально, и поэтому возможно получить более близкую оценку массы нейтрона. Выведенная таким образом масса равна 1,0067. Принимая во внимание ошибку в измерении массы, следует думать, что масса нейтрона, вероятно, лежит между 1,005 и 1,008. Эти значения поддерживают тот взгляд, что нейтрон есть комбинация протона и электрона и дает для энергии связи частиц около 1-2·106 вольт·электронов.

Нейтрон может быть изображен как маленький диполь, или, может быть лучше, как протон, погруженный в электрон. Так или иначе «радиус»

нейтрона будет между 10–13 см и 10–12 см. Поле нейтрона должно быть очень мало, за исключением очень близких расстояний, и нейтроны при прохождении через вещество не будут подвергаться воздействию, за исключением тех случаев, когда они прямо попадают в атомное ядро.

Измерения, сделанные над прохождением нейтронов через материю, дают результаты, находящиеся в общем согласии с этими взглядами Столкновение нейтронов с ядрами азота изучалось доктором Фезером, применявшим автоматическую камеру Вильсона. Он нашел, что в добавление к нормальным следам атомов отдачи азота, имеется еще некоторое число разветвляющихся путей. Это – следствие разложения ядра азота.

В некоторых случаях нейтрон захватывается, испускается -частица и образуется ядро В11. В других случаях механизм еще неизвестен с определенностью»

1932 г. Дж. Чадвик. Открытие нейтрона Джеймс Чадвик + Be n + C 9 (1891 – 1974) 4 «Однажды утром я прочел письмо Жолио-Кюри в «Comptes Rendus», в котором он сообщал о еще более удивительном свойстве излучения из бериллия, чрезвычайно поразительном свойстве. Спустя несколько минут в мою комнату вошел столь же удивленный, как и я, [Норман] Фезер, чтобы обратить мое внимание на эту статью. В то же утро, чуть позднее, я рассказал о ней Резерфорду. По давно уже установившейся традиции я должен был приходить к нему около 11 часов и докладывать интересные новости, а также обсуждать состояние работ в нашей лаборатории. По мере того как я рассказывал о наблюдениях Жолио-Кюри и их истолковании, я замечал нарастающее изумление Резерфорда;

наконец, разразился взрыв:

«Я не верю этому!» Столь нетерпимое замечание было совершенно не в духе Резерфорда, за все многолетнее сотрудничество с ним я не помню подобного случая. Отмечаю это лишь для того, чтобы подчеркнуть электризующее воздействие статьи Жолио-Кюри. Разумеется, Резерфорд сознавал, что придется поверить этим наблюдениям, но объяснение их — это уже совсем иное дело.

Так случилось, что я был как раз готов начать эксперимент, для которого приготовил превосходный источник полония из балтиморского материала (использовалась радоновая трубка, привезенная обратно Фезером). Я начинал без всякой предвзятости, хотя, естественно, мои мысли вертелись вокруг нейтронов. Я был вполне уверен, что наблюдения Жолио-Кюри нельзя свести к эффекту типа комптоновского, так как я не раз пытался обнаружить его. Без сомнений, это было нечто совершенно новое и необычное. Нескольких дней напряженной работы оказалось достаточно, чтобы показать, что эти странные эффекты вызывались нейтральной частицей;

мне удалось даже измерить ее массу. Нейтрон, постулированный Резерфордом в 1920 г., наконец-то дал себя обнаружить».

Дж. Чадвик. Воспоминания.

Нобелевская премия по физике 1935 г. – Дж.Чадвик За открытие нейтрона Нейтроны Дж. Чадвик Боте и Беккер показали, что некоторые легкие элементы под влиянием бомбардировки -частицами полония испускают излучение, по-видимому, имеющее характер -лучей. Элемент бериллий дает особенно заметный эффект этого рода, и последующие наблюдения Боте, Ирэны Кюри-Жолио и Вебстера показали, что излучение, возбуждаемое в бериллии, обладает проницающей способностью значительно большей, нежели какое бы то ни было из известных до сих пор -излучений радиоактивных элементов.

Совсем недавно И. Кюри-Жолио и Ф. Жолио сделали поразительное наблюдение, состоящее в том, что эти излучения бериллия и бора оказываются способными выбрасывать со значительной скоростью протоны из веществ, содержащих водород.

Вследствие этого я поставил дальнейшие опыты с целью исследовать свойства излучения бериллия. Эти опыты показали, что излучение бериллия выбрасывает частицы не только из водорода, но из всех исследованных легких элементов. Экспериментальные результаты оказалось очень трудно объяснить с точки зрения гипотезы о квантовой природе излучения бериллия, но эти результаты вытекали, как непосредственные следствия, если предположить, что излучение бериллия состоит из частиц с массой, приблизительно равной массе протона и без эффективного заряда, т. е. – из нейтронов.

Появление нейтронов до сих пор наблюдалось только при бомбардировке некоторых элементов -частицами. Этот процесс можно представить как захват -частицы атомным ядром, сопровождающийся образованием нового ядра и освобождением нейтрона. Новое ядро должно при этом иметь заряд на две единицы, а массу на три единицы выше, чем первоначальное ядро. «Выход» нейтронов весьма мал и сравним c «выходом»

протонов при искусственном превращении элементов, происходящим под действием бомбардировки -частицами. Наибольшим эффектом обладает бериллий, у которого «выход», по-видимому, достигает 30 нейтронов на каждый миллион -частиц полония, бомбардирующих толстый слой бериллия.

След протона, выбитого След ядра гелия, пришедшего в движение в результате нейтроном из парафина.

столкновения с нейтроном.

Подвергая различные вещества бомбардировке -частицами полония Боте и Беккер обнаружили, что в этих условиях некоторые лёгкие атомы испускают слабое излучение, приникающая способность которого превышает проникающую способность самых жёстких -лучей, испускаемых радиоактивными элементами (1930 г.). Сначала это явление объяснялось испусканием -лучей вследствие возбуждения ядер, могущего сопровождаться захватом -частицы. Этот эффект особенно силен у бериллия, но он наблюдается также в меньшей степени у Li, B, F, Na, Mg, Al.

Пользуясь методом ионизации, И. Кюри и Ф. Жолио обнаружили новое свойство проникающих лучей, испускаемых бериллием или бором. Оказалось, что эти лучи могут выбивать лёгкие ядра, например, протоны из веществ, содержащих водород или ядра гелия (1932 г.). Это основное свойство вновь открытого излучения является причиной его поглощения… Существование явления выбрасывания лёгких атомов было подтверждено методом Вильсона… Проникающий луч, вызывающий выбрасывание ядра не ионизует молекул газа и, следовательно, его путь на фотографиях не видим… Результаты этих опытов трудно объяснить, если считать, что лучи, вызывающие выбрасывание лёгких элементов, являются -лучами.

Чадвик показал, что это явление можно удовлетворительно объяснить, допустив, что в проникающем излучении, испускаемом Be или В, присутствуют нейтроны – частицы с атомной массой близкой к единице и нулевым зарядом, которые могут состоять из протона и электрона, связанных более тесно, чем в атоме водорода… Нейтроны являются новым видом корпускулярного излучения.

М.Кюри. «Радиоактивность. Возбуждение проникающих лучей в лёгких атомах при столкновении с -частицами».

Д. Иваненко, 1932 г.: «Объяснение доктором Дж. Чадвиком таинст венного излучения бериллия очень привлекательно для физиков-теоретиков.

Возникает вопрос: нельзя ли допустить, что нейтроны играют также важную роль и в структуре ядер, считая все ядерные электроны «упакованными» либо в -частицы, либо в нейтроны? Конечно, отсутствие теории ядер делает это предположение далеко не окончательным, но может быть, оно покажется не таким уж неправдоподобным, если мы вспомним, что электроны, проникая в ядра, существенно изменяют свои свойства — теряют, так сказать, свою индивидуальность, например свой спин и магнитный момент.

Наибольший интерес представляет вопрос, насколько нейтроны можно рассматривать как элементарные частицы (чем-то подобными протонам или электронам). Нетрудно подсчитать число -частиц, протонов и нейтронов, имеющихся в каждом ядре, и получить таким образом представление об угловом моменте ядра (полагая угловой момент нейтрона равным 1/2). Любопытно, что в ядрах бериллия нет свободных протонов, а есть только -частицы и нейтроны».

Свободный нейтрон является нестабильной частицей. Его период полураспада T1/2 = 10, 24 мин. Нейтрон распадается на протон p, электрон e и электронное антинейтрино e. В связанном состоянии в ядре нейтрон может быть стабильным. Потому существуют стабильные атомные ядра.

Открытие нейтронов явилось важным этапом в развитии представлений о строении атомного ядра. На смену протон-электронной модели атомного ядра пришла протон-нейтронная модель ядра, впервые развитая независимо в работах Д.Иваненко, В.Гейзенберга.

Основное положение протон-нейтронной модели атомного ядра – атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов Z в ядре определяет электрический заряд ядра. Суммарное число протонов и нейтронов A = Z + N определяет массу атомного ядра.

Протон-нейтронная модель ядра успешно разрешила проблему «азотной катастрофы». Согласно протон-нейтронной модели ядра изотоп 14 N состоит из 7 протонов и 7 нейтронов. Так как и протон, и нейтрон имеют собственный спин J = 1/ 2, полный спин ядра должен иметь целочисленное значение, что согласуется с экспериментом. Получили объяснение и малые значения магнитных моментов атомных ядер – порядка нескольких ядерных магнетонов. Если бы в состав атомного ядра входили электроны, то магнитные моменты ядер должны были бы иметь величины порядка электронных магнетонов Бора, т.е. превышали бы наблюдаемые величины магнитных моментов ядер в тысячи раз.

Д. Иваненко, 1932 г.: «Ввести нейтроны в ядро можно двумя способами: либо не изменяя принятого числа -частиц в ядре и нейтрализуя не более трех электронов (Перрен и Ожэ), либо нейтрализуя все электроны.

Первый способ, по-моему, приводит к прежним трудностям в отношении значений спина. Более того, начиная с некоторого элемента, возникает избыток внутриядерных электронов, и отсутствие у ядер соответствующих спинов представляется крайне таинственным.

Напротив, второй подход, предложенный нами несколько ранее, по видимому, позволяет преодолеть указанные трудности. Не будем входить здесь в общие рассуждения о преимуществах этого подхода как обобщения идеи де Бройля о существовании глубокой аналогии между светом и ве ществом;

внутриядерные электроны действительно во многом аналогичны поглощенным фотонам, а испускание ядром -частицы подобно рождению новой частицы, которая в поглощенном состоянии не обладает индивидуальностью. Укажем строение ядра хлора согласно старой (I) точке зрения и двум новым - Перрена-Ожэ (II) и нашей (III) [ обозначает -частицу, p - протон, e - электрон, n -нейтрон]:

Cl = 9 + 1 p + 2e(I), 9 + 1n + 1e(II), 8 + 1 p + 4n(III).

(изотопы данного элемента отличаются друг от друга только числом нейтронов).

Мы рассматриваем нейтрон не как систему из электрона и протона, но как элементарную частицу. Это вынуждает нас трактовать нейтроны как частицы, обладающие спином 1/2 и подчиняющиеся статистике Ферми Дирака. Например, ядру 14N(3 + 1 p + 1n ) следует приписать спин 1, а ядра азота, действительно, подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Это становится теперь понятным, так как 14N содержит 14 элементарных частиц, т.е. четное число, а не 21, как в старой схеме.

Все эти предположения, какими бы предварительными они ни были, по видимому, приводят к совершенно новым взглядам на модель ядер».

В. Гейзенберг, 1932 г.: «Опытами Кюри и Жолио (при истолковании их Чадвиком) установлено, что в строении ядер важную роль играет новая фундаментальная частица — нейтрон. Это наводит на мысль считать атомные ядра построенными из протонов и нейтронов без участия электронов. Если это предположение верно, то оно влечет за собой огромное упрощение теории строения ядер. Основные трудности теории -распада и статистики атомных ядер азота сводятся тогда к вопросу о том, каким образом нейтрон распадается на протон и электрон и какой статистике он подчиняется. Тогда строение ядер может описываться по законам квантовой механики вследствие взаимодействия между протонами и нейтронами.

В дальнейшем будем предполагать, что нейтроны подчиняются статистике Ферми и обладают спином (1/2). Это предположение необходимо для объяснения статистики ядер азота и соответствует экспериментальным значениям ядерных моментов. Если бы нейтрон состоял из протона и электрона, то электрону пришлось бы приписать статистику Бозе и нулевой спин. Подробнее рассматривать такую картину представляется нецелесообразным.

Скорее, нейтрон следует считать самостоятельной фундаментальной составной частью ядра, конечно, учитывая, что при определенных условиях он может распадаться на протон и электрон, причем, вероятно, законы сохранения энергии и импульса не будут иметь места.

Из всех взаимодействий элементарных частиц, входящих в состав ядра, между собой прежде всего рассмотрим взаимодействие между нейтроном и протоном. При сближении нейтрона и протона на расстояние, сравнимое с ядерным, происходит по аналогии с ионом H + перемена места отрицательного заряда с частотой, определяемой функцией J (r ) / h, где r — расстояние между частицами. Величина J (r ) соответствует обменному интегралу, вернее, интегралу, описывающему обмен координатами в молекулярной теории. Эту перемену места можно сделать наглядной с помощью представления об электроне, не обладающем спином и подчиняющемся статистике Бозе. Но, вероятно, правильнее считать, что интеграл J (r ) описывает фундаментальное свойство пары нейтрон протон, которое не сводится к перемещениям электрона».

В отличие от электронных оболочек атомов, ядра имеют вполне определенные размеры. Радиус ядра R описывается соотношением R = 1,3 A1/3 фм.

Атомные ядра имеют большую массу и положительный заряд. Размеры атомных ядер обычно измеряют во внесистемной единице длины — ферми.

1 ферми = 1013 см.

Протон-нейтронная модель ядра объяснила существование изотопов.

Изотопы – атомные ядра, имеющие одинаковое число протонов Z и различное число нейтронов N. Сегодня известно свыше 3,5 тыс. изотопов.

Обычно изотопы изображают на N-Z-диаграмме атомных ядер. Массовое число изотопа A = N + Z.

Э. Резерфорд, 1936 г.: «Многие исследователи при разделении определенных радиоактивных тел натолкнулись на невероятное, почти непреодолимое затруднение. Содди очень заинтересовался этим явлением и обнаружил несколько радиоактивных веществ, которые он не смог разделить. Эти вещества были совершенно различными и обладали характерными радиоактивными свойствами, однако их нельзя было разделить с помощью химических операций. Он обратил также внимание, что в периодической таблице для большой группы радиоактивных элементов даже нет места, и предположил, что существуют элементы, неотделимые с химической точки зрения, но обладающие с точки зрения радиоактивности различными свойствами. Содди назвал соответствующие элементы такого рода изотопами, и так было положено начало большой области исследований, огромный вклад в которую внес Астон».

Размер ядра Радиальное распределение плотности заряда в различных ядрах (0) (r ) = rR 1+ e a R = 1,3 A1/3 фм t = 4, 4a = 2,5 фм Размер ядра и закон сил Э. Резерфорд, 1924 г.: «Билер произвел методом рассеяния детальное изучение закона действия силы вблизи легкого ядра, а именно вблизи ядра алюминия. С этою целью он сравнил относительное число -частиц, рассеянных внутри одного и того же телесного угла от алюминия и от золота. Для исследованного интервала углов (до 100°) предполагалось, что рассеяние золотом следует закону обратной пропорциональности квадрату расстояния. Билер нашел, что отношение рассеяния в алюминии к рассеянию в золоте зависит от скорости -частицы. Так, например, для -частицы с пробегом 3,4 см было получено теоретическое отношение для углов меньших 40°, но оказалось, что отношение для среднего угла рассеяния в 80° лишь на 7°/0 меньше. С другой стороны, для более быстрых -частиц с пробегом 6, см отклонения от теоретического отношения выражены значительно резче и достигают 29% для угла в 80°. Чтобы объяснить эти результаты Билер предположил, что вблизи ядра алюминия, на обычную отталкивательную силу налагается притягательная сила. Результаты хорошо согласуются с допущением, что притягательная сила изменяется обратно пропорционально четвертой степени расстояния и что силы отталкивания и притяжения уравновешиваются на расстоянии 3,4·10-13 см от центра ядра. Внутри этого критического радиуса силы становятся исключительно притягательными;

вне – исключительно отталкивательными.

Хотя мы и не можем предъявлять особенных требований к точности полученной цифры или к строгости предположенного закона притягательной силы, мы, вероятно, не слишком ошибемся, если положим, что радиус ядра алюминия не превосходит 4·10-13 см. Интересно отметить, что силы взаимодействия между -частицей и ядром водорода претерпевают быстрое изменение, начиная приблизительно с этого же расстояния. Таким образом, ясно, что размеры ядра у легких элементов малы, а в случае алюминия можно даже сказать – неожиданно малы, если мы вспомним, что в этом ничтожном объеме помещаются 27 протонов и электронов. Предположение о том, что силы взаимодействия между ядрами изменяются от отталкивания к притяжению при очень тесном сближении, представляется весьма правдоподобным;

иначе с высшей степени трудно себе представить, каким образом тяжелое ядро с большим избытком положительного заряда могло бы сдерживаться в ограниченном пространстве. Мы увидим, что целый ряд других фактов подкрепляет это представление;

однако мало правдоподобно, чтобы притягательные силы вблизи сложного ядра могли быть выражены каким-либо простым степенным законом».

Характеристики свободных нейтрона и протона Характеристики свободных n p нейтрона и протона 939.56536 ± 938.27203 ± Масса, МэВ/c 0.00008 0. Квантовое число — спин 1/2 1/ Спин, = 6.58 10–22 МэВ·c [1/2(1/2 + 1)]1/2 [1/2(1/2 + 1)]1/ | q p + qe | Электрический заряд, 10- (–0.4 ± 1.1)10- qe = (1.602176487 ± 40) 10-19 Кл qe Магнитный момент, –1.9130427 ± +2.792847351 ± e = = 3.15 10-18 МэВ/Гс 0.000005 2m p c Электрический дипольный момент 0.29 10–25 0.54 10– d, e·см Барионный заряд В +1 + 0.875 ± 0. Зарядовый радиус, Фм Радиус распределения 0.89 ± 0.07 0.86 ± 0. магнитного момента, Фм Изоспин I 1/2 1/ Проекция изоспина Iz –1/2 +1/ Кварковый состав udd uud Квантовые числа s,c, b, t 0 2.11029 лет Период полураспада 10,24 мин Четность + + Статистика Ферми-Дирака n p + e + ve Схема распада Таблица изотопов химических элементов В таблице для всех обнаруженных химических элементов приведены порядковый номер, символ, название, минимальное и максимальное массовое число обнаруженных изотопов, процентное содержание изотопов в естественной смеси (округлённое значение). Химическим элементам с Z = 113 –118 названия пока не присвоены, они приводятся в специальных международных обозначениях.

1 – порядковый номер химического элемента Z, 2 – символ химического элемента, 3 – название химического элемента, 4 – минимальное–максимальное массовое число A изотопа химического элемента, 5 – массовое число изотопов A (процентное содержание изотопа в естественной смеси), имеющих процентное содержание изотопа в естественной смеси больше 1%.

1 2 3 4 0 n нейтрон 1 H водород 1–7 1 (99,986) 2 He гелий 3–10 4 (100) 3 Li литий 3–12 6 (7,93);

7 (92,07) 4 Be бериллий 5–16 9 (100) 5 B бор 6–19 10 (19,8);

11 (80,2) 6 C углерод 8–22 12 (98,9);

13 (1,1) 7 N азот 10–25 14 (99,62) 8 O кислород 12–28 16 (99,76) 9 F фтор 14–31 19 (100) 10 Ne неон 16–34 20 (90,0);

22 (9,73) 11 Na натрий 18–37 23 (100) 12 Mg магний 19–40 24 (77,4);

25 (11,5);

26 (11,1) 13 Al алюминий 21–43 27 (100) 14 Si кремний 22–44 28 (89,6);

29 (6,2);

30 (4,2) 15 P фосфор 24–46 31 (100) 16 S сера 26–49 32 (95,1);

34 (4,2) 17 Cl хлор 28–51 35 (75,4);

37 (24,6) 18 Ar аргон 30–53 40 (99,632) 19 K калий 32–55 39 (93,38);

41 (6,61) 20 Ca кальций 34–57 40 (96,96);

44 (2,06) 21 Sc скандий 36–60 45 (100) 1 2 3 4 46 (7,95);

47 (7,75);

48 (73,45);

22 Ti титан 38– 49 (5,51);

50 (5,34) 23 V ванадий 40–65 51 (100) 24 Cr хром 42–67 50 (4,49);

52 (83,78);

53 (9,43);

54 (2,30) 25 Mn марганец 44–69 55 (100) 26 Fe железо 45–72 54 (6,04);

56 (91,57);

57 (2,11) 27 Co кобальт 50–75 59 (100) 28 Ni никель 48–78 58 (67,4);

60 (26,7);

61 (1,2);

62 (3,8) 29 Cu медь 52–80 63 (70,13);

65 (29,87) 30 Zn цинк 54–83 64 (50,9);

66 (27,3);

67 (3,9);

68 (17,4) 31 Ga галлий 56–86 69 (61,2);

71 (38,8) 32 Ge германий 58–89 70 (21,2);

72 (27,3);

73 (7,9);

74 (37,1);

76 (6,5) 33 As мышьяк 60–92 75 (100) 34 Se селен 64–94 76 (9,5);

77 (8,3);

78 (24,0);

80 (48,0);

82 (9,3) 35 Br бром 67–97 79 (50,6);

80 (49,4) 80 (2,01);

82 (11,53);

83 (11,53);

36 Kr криптон 69– 84 (57,11);

86 (17,47) 37 Rb рубидий 71–101 85 (72,8);

87 (27,2) 38 Sr стронций 73–105 86 (9,86);

87 (7,02);

88 (82,56) 39 Y иттрий 76–108 89 (100) 40 Zr цирконий 78–110 90 (48);

91 (11,5);

92 (22);

94 (17);

96 (1,5) 41 Nb ниобий 81–113 93 (100) 92 (14,9);

94 (9,4);

95 (16,1);

96 (16,6);

42 Mo молибден 83– 97 (9,65);

98 (24,1);

100 (9,25) 43 Tc технеций 85– 96 (5,68);

98 (2,22);

99 (12,81);

100 (12,70);

44 Ru рутений 87– 101 (16,98);

102 (31,34);

104 (18,27) 45 Rh родий 89–122 103 (100) 104 (9,3);

105 (22,6);

106 (27,2);

46 Pd палладий 91– 108 (26,8);

110 (13,5) 47 Ag серебро 93–130 107 (52,5);

109 (47,5) 106 (1,4);

108 (1,0);

110 (12,8);

111 (13,0);

48 Cd кадмий 95– 112 (24,2);

113 (12,3);

114 (28,0);

116 (7,3) 49 In индий 97–135 113 (4,5);

115 (95,5) 112 (1,1);

116 (15,5);

117 (9,1);

118 (22,5);

50 Sn олово 99– 119 (9,8);

120 (28,5);

122 (5,5);

124 (6,8) 12 3 4 51 Sb сурьма 103–139 121 (56);

123 (44) 122 (2,9);

123 (1,6);

124 (4,5);

125 (6,0);

52 Te теллур 105– 126 (19,0);

128 (32,8);

130 (33,1) 53 I йод 108–144 127 (100) 128 (1,9);

129 (26,23);

130 (4,07);

131 (21,17);

54 Xe ксенон 109– 132 (26,96);

134 (10,54);

136 (8,95) 55 Cs цезий 112–151 133 (100) 134 (2,42);

135 (6,59);

136 (7,81);

137 (11,32);

56 Ba барий 114– 138 (71,66) 57 La лантан 117–155 139 (100) 58 Ce церий 119–157 140 (89);

142 (11) 59 Pr празеодим 121–159 141 (100) 142 (25,95);

143 (13,0);

144 (22,6);

145 (9,2);

60 Nd неодим 124– 146 (16,5);

148 (6,8);

150 (5,95) 61 Pm прометий 126– 144 (3);

147 (17);

148 (14);

149 (15);

62 Sm самарий 128– 150 (5);

152 (26);

154 (20) 63 Eu европий 130–167 151 (49,1);

153 (50,9) 154 (1,5);

155 (21);

156 (22);

64 Gd гадолиний 134– 157 (17);

158 (22);

160 (16) 65 Tb тербий 135–171 159 (100) 66 Dy диспрозий 138–173 160 (1,5);

161 (22);

162 (24);

163 (24);

164 (28) 67 Ho гольмий 140–175 165 (100) 164 (1,5);

166 (32,9);

167 (24,4);

68 Er эрбий 143– 168 (26,9);

170 (14,2) 69 Tm тулий 144–179 169 (100) 170 (4,21);

171 (14,26);

172 (21,49);

70 Yb иттербий 148– 173 (17,02);

174 (29,58);

176 (13,38) 71 Lu лютеций 150–184 175 (97,5);

176 (2,5) 176 (5,3);

177 (18,47);

178 (27,13);

72 Hf гафний 151– 179 (13,85);

180 (35,14) 73 Ta тантал 155–190 181 (100) 74 W вольфрам 158–192 182 (22,6);

183 (17,3);

184 (30,1);

186 (29,8) 75 Re рений 159–194 185 (38,2);

187 (61,8) 186 (1,59);

187 (1,64);

188 (13,3);

76 Os осмий 162– 189 (16,1);

190 (26,4);

192 (41,0) 77 Ir иридий 164–202 191 (38,5);

193 (61,5) 12 3 4 78 Pt платина 166–203 194 (30,2);

195 (35,3);

196 (26,6) 198 (7,2) 79 Au золото 169–205 197 (100) 198 (10,1);

199 (17,0);

200 (23,3);

80 Hg ртуть 171– 201 (13,2);

202 (29,6);

204 (6,7) 81 Tl таллий 176–212 203 (29,1);

205 (70,9) 82 Pb свинец 178–215 204 (1,5);

206 (23,6);

207 (22,6);

208 (52,3) 83 Bi висмут 184–218 209 (100) 84 Po полоний 188– 85 At астат 191– 86 Rn радон 193– 87 Fr франций 199– 88 Ra радий 201– 89 Ac актиний 206– 90 Th торий 208–238 232 (100) 91 Pa протактиний 212– 92 U уран 217–242 238 (99,28) 93 Np нептуний 225– 94 Pu плутоний 228– 95 Am америций 230– 96 Cm кюрий 232– 97 Bk берклий 234– 98 Cf калифорний 237– 99 Es эйнштейний 240– 100 Fm фермий 242– 101 Md менделевий 245– 102 No нобелий 248– 103 Lr лоуренсий 251– 104 Rf рэзерфордий 253– 105 Db дубний 255– 106 Sg сиборгий 258– 107 Bh борий 260– 108 Hs хассий 263– 109 Mt мейтнерий 265– 110 Ds дармштадтий 267– 111 Rg рентгений 272– 12 3 4 112 Cn коперниций 277– 113 Uut 278– 114 Uuq 286– 115 Uup 287– 116 Uuh 290– 117 Uus 291– 118 Uuo 5. Радиоактивность Все атомные ядра можно разделить на две группы – стабильные и радиоактивные (нестабильные) ядра. Число стабильных изотопов и изотопов, имеющих период полураспада, сравнимый с временем существования Земли, ~ 350. Большинство ядер является нестабильными изотопами. Чтобы радиоактивное вещество удалось обнаружить в природе период полураспада должен быть не намного меньше возраста Земли или оно должно образовываться в результате распада другого радиоактивного вещества или в ядерной реакции. Наряду с -, -, -радиоактивностью, делением атомных ядер были открыты новые типы радиоактивного распада.

К более редким типам радиоактивного распада относятся • двойной -распад, • протонная и двухпротонная радиоактивности, • нейтронная радиоактивность, • кластерная радиоактивность.

Во всех видах радиоактивности (кроме гамма-радиоактивности) изменяется состав ядра – число протонов Z, массовое число А или и то и другое.

На характеристики радиоактивного распада оказывают существенное влияние взаимодействия, вызывающие распад. -распад вызывается сильным взаимодействием. -распад вызывается слабым взаимодействием, а гамма-распад — электромагнитным.

Существуют различные причины, в силу которых времена жизни нестабильных ядер могут изменяться на несколько порядков.

а) Испускание тяжелых положительно заряженных частиц сильно подавляется потенциальным (кулоновским) барьером.

б) Причиной больших времен жизни радиоактивных ядер может быть малая интенсивность взаимодействия, за счет которого происходит распад.

в) Время жизни радиоактивного ядра сильно зависит от энергии, выделяющейся при распаде. Если эта энергия мала, то время жизни резко возрастает. Особенно резкой зависимостью от энергии распада Q характеризуется слабое взаимодействие: ~ 1/ Q5.

г) Время жизни радиоактивного ядра сильно зависит и от разности значений спинов исходного и конечного ядер.

Альфа-распад. Явление -распада состоит в том, что тяжелые ядра самопроизвольно испускают -частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на четыре единицы, а атомный номер на две:

( A, Z ) ( A 4, Z 2) + 4 Не.

Перечислим характерные эмпирические особенности -распада:

а) -распад происходит только на тяжелых ядрах с Z 60.

б) Периоды полураспада известных -радиоактивных ядер варьируются в широких пределах. Так, изотоп вольфрама 182 W имеет T1/2 8,3 1018 лет, а изотоп протактиния 91 Pa имеет T1/2 = 5,3 10 c.

Для четно-четных изотопов зависимость периода полураспада от энергии -распада Q хорошо описывается эмпирическим законом Гейгера Неттола B lg T1/2 = A +, Q где A и B константы, слабо зависящие от Z. С учётом заряда конечного ядра Z связь между периодом полураспада T1/2 и энергией -распада может быть представлена в виде Z 0. lg T1/2 = 9,54 51,37, Q где период полураспада T1/2 выражен в секундах, а Q в МэВ. На рисунке показаны экспериментальные значения периодов полураспада для -радиоактивных четно-четных ядер (Z изменяется от 74 до 106) и их описание с помощью соотношения Гейгера-Неттола.

Для нечетно-четных, четно-нечетных и нечетно-нечетных ядер общая тенденция сохраняется, но периоды полураспада в 2-1000 раз больше, чем для четно-четных ядер с теми же Z и Q.

Э. Резерфорд, 1936 г. «В 1919 г. я показал, что при бомбардировке -частицами легкие элементы могут разрушаться с испусканием протона, т. е. ядра водорода. Поэтому мы предположили, что протон должен быть одной из структурных единиц, из которых состоят ядра других атомов, а теоретики старались объяснить свойства ядра комбинациями протонов и отрицательных электронов. Однако очень трудно объединить медленный и тяжеловесный протон с легким и подвижным электроном в таком ограниченном пространстве, как ядро, и, когда Чадвик открыл существова ние незаряженной частицы — нейтрона, этот вопрос нашел, по-видимому, свое теоретическое решение. Тогда стало возможным предположить, что ядра всех атомов состоят из комбинации протонов и нейтронов, так что, например, кислород с зарядом 8 и массой 16 обладает 8 протонами и 8 нейт ронами. Это была очень простая идея, значение которой состояло в том, что составляющие ядро частицы обладали одинаковой массой. Однако встал вопрос, как объяснить тот факт, что отрицательный электрон часто вылетает из ядра при радиоактивных превращениях и что положительный электрон проявляется при некоторых искусственных превращениях? В ответ на это теоретики предположили, что в ограничен ном пространстве ядра, где силы взаимодействия между частицами огромны, протоны превращаются в нейтроны, и наоборот. Например, если нейтрон теряет отрицательный электрон, он переходит в протон, а если протон теряет положительный электрон, он становится нейтроном, так что в первом случае может испускаться отрицательная частица, а во втором — положительная. Электроны и позитроны не существуют в свободном состоянии в ядре, они связаны с нейтроном или протоном в зависимости от обстоятельств и могут высвобождаться лишь при определенных условиях, когда происходят большие изменения энергии внутри ядра».

N-Z диаграмма атомных ядер. Тёмным цветом показаны стабильные изотопы.

Г. Гамов, 1930 г.: «Уже открытое в конце прошлого века явление радиоактивности указывало на то, что ядро атома не есть простая единица, но имеет весьма сложную структуру. Частицы и, наблюдаемые при радиоактивном распаде элементов, были истолкованы Резерфордом, как составные части ядра, выбрасываемые из неустойчивых ядер тяжелых атомов, а наблюдаемое при распаде весьма жесткое излучение, -лучи – как электромагнитные возмущения, вызванные перестройкой ядер после распада. Дальнейшие опыты Резерфорда показали также возможность искусственного расщепления ядер обычно устойчивых элементов под влиянием внешних энергичных воздействий.

Открытие изотопов и исследования Астона, показавшего, что атомные веса их выражаются числами, весьма близкими к целым, сделало более чем вероятным предположение, что ядра всех элементов построены из протонов и электронов, причем весьма большую роль в строении ядра имеют образования, состоящие из четырех протонов и двух электронов ( частицы) и обладающие весьма большой устойчивостью.

Весьма точное измерение атомных весов изотопов обнаружило небольшие отклонения от целых чисел (дефект массы), что привело к возможности определения полной энергии, связывающей отдельные структурные элементы ядра в одно целое.

Детальные исследования спектров -лучей, показавшие их линейчатую структуру – исследования, которыми мы обязаны главным образом Эллису и Мейтнер, – привели к заключению, что в ядре атома мы имеем дело с существованием определенных квантовых уровней энергии, вполне аналогичных тем, которые мы встречаем в электронной системе атома.

Наиболее удивительный факт, с которым мы сталкиваемся в, теории самопроизвольного распада ядер, это – те, зачастую неимоверно длинные, промежутки времени в течение которых неустойчивое ядро остается in statu quo, прежде чем выбросить -или -частицу. Средняя продолжительность жизни радиоактивных элементов варьирует от ничтожной доли секунды до необычайно длинных периодов во много миллионов лет и, для каждого данного элемента, является величиной вполне определенной.

Казалось весьма трудным найти причины, задерживающие вылет частицы на столь долгие промежутки времени, если частица имеет достаточно энергии, чтобы.покинуть ядро, – а между тем выбрасываемые из ядра - и -частицы несут весьма и весьма солидные запасы энергии.

Уже давно был известен факт существования вполне определенной зависимости между энергией выбрасываемой частицы и средним периодом ее пребывания в ядре в неустойчивом состоянии (периодом распада ядра). В 1912 г. Гейгер и Нэттол заметили, что если для элементов, обладающих распадом, мы будем откладывать на оси абсцисс энергию -частиц, а на оси ординат логарифм соответствующей константы распада, то для данного радиоактивного семейства точки будут лежать приблизительно на прямой линии. Три известных нам радиоактивных семейства урана, тория и актиния представляются тремя параллельными прямыми.

Опыты Резерфорда и Чадвика показали, что в случае весьма близких столкновений -частиц с ядрами легких элементов наблюдаются отклонения числа рассеянных частиц от формулы, выведенной в предположении Кулоновского взаимодействия. Наблюденные отклонения могут быть объяснены предположением существования указанных притягательных сил, – таким образом мы можем составить себе представление об области действия и законах этих сил. К сожалению, в настоящее время не имеется достаточно детального исследования аномального рассеяния -частиц, и теоретические заключения сводятся, примерно, к следующему. Для легких элементов (Mg, A1) аномальные силы притяжения начинают сказываться на расстояниях порядка 10-12 см, варьируя примерно обратно пропорционально четвертной или пятой степени расстояния и пересиливают Кулоновские отталкивания на расстоянии около 3·10-13 см от центра ядра, – на меньших расстояниях -частица находится, очевидно, уже под влиянием суммарных притягательных сил. Для интересующих нас ядер тяжелых радиоактивных элементов, в виду их большого заряда, имеющиеся в нашем распоряжении -частицы не могут подойти на столь близкие расстояния и достигнуть области аномальных сил. Резерфорд и Чадвик в опытах с рассеянием -частиц в уране могли достигнуть (употребляя самые быстрые -частицы) лишь расстояния 3·10-12 см и никаких отклонений от нормального рассеяния не было замечено— область притягательных сил, очевидно, лежит здесь гораздо ближе к ядру, чем 3·10-12 см.

U (r ) E (ThC ') E (U ) 3 1012 см 6 1012 см rm Казалось бы, что результаты этих опытов с ураном весьма мало могут нам помочь – поскольку область притягательных сил не могла быть достигнута;

в этих опытах и заключался ключ к разгадке явления -распада.

При сопоставлении с данными о распаде самих ядер урана опыты эти приводят к парадоксу, совершенно необъяснимому с точки зрения классической механики. В самом деле: ядра атомов урана являются неустойчивыми и выбрасывают -частицы с энергией около 6,8.10–6 эрг.

Согласно нашему предположению о существовании притягательных сил вблизи ядра, -частица, сидящая в ядре радиоактивного элемента, окружена своего рода потенциальным барьером, как показано на рисунке.

Тот факт, что еще на расстояниях 3·10–12 см мы имеем лишь Кулоновские силы, указывает, что максимальная вышина барьера во всяком случае больше, чем 2( Z 2)e = 14 10 6 эрг (для урана Z=92).

3 Как может -частица урана с энергией всего лишь 6,8.10–6 эрг „перекатиться" через такой барьер? Другими словами: если -частицы RaG', употребляемые в опытах рассеяния в уране, «вкатываясь» по внешнему откосу барьера, далеко еще не могли достигнуть его вершины, как могут -частицы урана, обладающие значительно меньшей энергией, перекатиться через барьер и вылететь наружу? С точки зрения классической механики -частица, проходя через такой барьер, более высокий, чем ее полная энергия, должна была бы обладать внутри барьера «отрицательной кинетической энергией» и следовательно «мнимой скоростью».

Однако возможность такого явления, находящегося в резком противоречии с классической механикой, есть прямое следствие современной волновой механики. Подобно тому как в волновой оптике свет, падая на границу раздела двух сред под углом большим, чем угол полного внутреннего отражения, отчасти проникает во вторую среду – так же точно в волновой механике волны де Бройля-Шредингера могут отчасти проникать в область «мнимой скорости», давая возможность частицам «перекатиться»

через барьер.

Переходя к вопросу о вылете -частицы из ядра, окруженного некоторым потенциальным барьером, мы прежде всего должны знать форму этого барьера. Мы уже видели, что ход потенциала аномальных притягательных сил вблизи и внутри ядра (внутренний скат) точно неизвестен;

с другой стороны, легко видеть, что точный ход потенциала на внутреннем крутом спуске барьера сравнительно мало влияет на его проницаемость. В этом случае. является самым рациональным сделать наиболее простые предположения о его форме;

для последующих вычислений мы примем модель барьера, даваемую формулами 2( Z 2)e U(r) = при r r r U(r) = U = const при r r0.

U (r ) E r 2( Z 2)e U r Эта модель характеризуется двумя неизвестными величинами:

радиусом ядра r0 и внутренним потенциалом U. Вопрос о вылете -частицы из пространства, окруженного потенциальным барьером, сводится к реше нию волнового уравнения, дающего вне ядра разбегающуюся сферическую волну. Эта задача приводит к ряду дискретных (квантовых) энергий -частицы, сидящей внутри барьера, и к ряду соответствующих вероятностей вылета.

В настоящем очерке мы, однако, не будем останавливаться на точном решении задачи и удовлетворимся приближенным выводом, вполне однако достаточным для сравнения с опытными данными. Ввиду большой высоты барьера мы можем в первом приближении рассматривать движение частицы внутри ядра, как заключенной между бесконечно' высокими стенками, забывая о том, что через миллиона два лет частица все же вылетит. Нас будет интересовать лишь состояние наименьшей энергии (основная орбита), так как сейчас можно считать более чем вероятным, что все -частицы в ядре имеют квантовое число – единицу.

Вероятность вылета может быть вычислена приближенно, как произведение числа столкновений -частицы с барьером на его проницаемость E U n 2 m 2( Z 2) e 2( Z 2)e r0 E = E dr.

e r 2mr Казалось бы, что явление -распада должно быть легко объяснено на тех же общих основаниях, как и -распад.

В самом деле, явление выбрасывания ядерного электрона во многих отношениях аналогично выбрасыванию -частицы. Мы встречаемся здесь с теми же весьма длинными периодами и с количественно той же зависимостью между энергией и периодом распада: более медленным -частицам соответствуют более долгие периоды жизни ядра.

Существенным отличием, однако, является факт размытости спектра -частиц.

Исследованиями Эллиса вполне достоверно установлено, что -частицы покидают ядра со скоростями, варьирующими в весьма широких пределах;

с другой стороны, совершенно отсутствует какой-либо процесс, могущий скомпенсировать эту размытость энергий и подвести баланс общей энергии ядра. Согласно закону сохранения энергии, ядра, получающиеся после -распада, должны были бы иметь самый разнообразный запас энергии, а между тем дискретность скоростей частиц и линейчатость -спектров указывает на вполне определенную дискретную энергию ядер.

Мы приходим, таким образом, к заключению, что для находящихся внутри ядра и вылетающих из него электронов закон сохранения энергии оказывается неприложимым.

Это и целый ряд других затруднений, связанных с вопросом о движении электронов внутри ядра, указывают, что здесь мы натолкнулись на что-то совершенно новое, не могущее быть объясненным на основании современных теоретических представлений. Несомненно, что все эти трудности квантования частиц, двигающихся со скоростью весьма близкой к скорости света, находятся в непосредственной связи с теми фундаментальными противоречиями, которые встретила современная теоретическая физика в попытках обобщения волновой механики на случаи релятивистского движения. Исследование свойств электронов в ядре является в настоящее время единственной областью, могущей дать экспериментальный материал для дальнейшего развития основных принципов теоретической физики».


-распад. Упомянутая проблема несохранения энергии при -распаде была решена Паули, предположившим, что в -распад одновременно с электроном образуется нейтрино. Общая энергия -распада распределяется между электроном и нейтрино Поэтому регистрация энергии только электрона приводит к кажущемуся несохранению энергии -распада.

Недостающую энергию уносит нейтрино, регистрация которого представляет собой чрезвычайно сложную проблему.

Изучение -распада сыграло чрезвычайно большую роль в понимании процессов, происходящих в атомных ядрах. Явление -распада состоит в том, что ядро ( A, Z ) самопроизвольно испускает лептоны 1-го поколения – электрон (позитрон) и электронное нейтрино (электронное антинейтрино), переходя в ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z, на единицу бльшим или меньшим. При e-захвате ядро поглощает один из электронов атомной оболочки (обычно из ближайшей к нему K-оболочки), испуская нейтрино. В литературе для e -захвата часто используется термин EC (Electron Capture).

Существуют три типа -распада -распад, + -распад и е-захват.

(A, Z) (A, Z+1) + e + е, :

(A, Z) (A, Z1) + e+ + е, +:

(A, Z) + e (A, Z1) + е.

е:

Главной особенностью -распада является то, что он обусловлен слабым взаимодействием. Бета-распад процесс не внутриядерный, а внутринуклонный. В ядре распадается одиночный нуклон. Происходящие при этом внутри ядра превращения нуклонов и энергетические условия -распада имеют вид (массу нейтрино полагаем нулевой):

(n p + e + е ), M(A, Z) M(A, Z+1) + те, + (p n + e+ + е ), M(A, Z) M(A, Z1) + те, e-захват (p + e n + е ), M(A, Z) + те M(A, Z1).

-распад, так же как и -распад, происходит между дискретными состояниями начального ( A, Z ) и конечного ( A, Z ± 1) ядер. Поэтому долгое время после открытия явления -распада было непонятно, почему спектры электронов и позитронов, вылетающих из ядра при -распаде были непрерывными, а не дискретными, как спектры -частиц.

Экспериментальные факты казались несовместимыми с законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения. Так, суммарная энергия электрона и ядра, образовавшегося в результате распада, была меньше энергии начального ядра. Для того чтобы спасти законы сохранения В.Паули в 1930 г. в письме участникам физической конференции в г. Тюбингене высказал предположение, что в процессе –-распада наряду с электроном должна рождаться еще одна очень легкая (неуловимая) частица с нулевым электрическим зарядом и спином J = 1/2.

В.Паули, 1930 г.: «Дорогие радиоактивные дамы и господа. Имея в виду... непрерывный -спектр, я предпринял отчаянную попытку спасти обменную статистику и закон сохранения энергии. Именно, имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть «нейтронами» и которые обладают спином 1/2. Масса «нейтрона» по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона.

Непрерывный -спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при распаде вместе с электроном испускается ещё и «нейтрон» таким образом, что сумма энергий «нейтрона» и электрона остаётся постоянной».

После открытия в 1932 г. нейтрона Э.Ферми предложил называть частицу В.Паули «нейтрино». В 1933 г. на Сольвеевском конгрессе В.Паули выступил с докладом о механизме -распада с участием нейтральной частицы со спином J = l/2. Гипотеза Паули спасла не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения момента количества движения и импульса. Были отвергнуты последние сомнения в том, что надежно зарекомендовавшие себя в классической физике законы сохранения в квантовых процессах выполняются. В 1934 г. Э. Ферми построил теорию -распада, основанную на законе сохранения энергии и предположении, что из ядра одновременно вылетают электрон и нейтрино. Ферми объяснил наблюдаемый энергетический спектр электронов и связал скорость -распада с максимальной энергией электронов, вылетающих при -распаде. Наиболее важным элементом теории -распада Ферми было утверждение, что в ядре нет электронов.

Электрон и нейтрино возникают в момент -распада атомного ядра.

Этот распад аналогичен испусканию света атомом. Световой квант не существует в атоме, а возникает в результате изменения состояния атома.

Нейтрино было экспериментально обнаружено в 1956 г. в экспериментах Ф.Райнеса и К.Коэна.

Основные характеристики электрона Характеристика Численное значение Спин J, 1/ Масса mec2, МэВ 0.51099892±0. (1.60217653±0.00000014)· Электрический заряд, Кулон 1.001159652187±0. Магнитный момент, e /2mec Время жизни, лет 4.6· + Лептонное число Le Лептонные числа L, L Основные характеристики электронного нейтрино Характеристика Численное значение Спин J, 1/ Масса т с 2, эВ Электрический заряд, Кулон Магнитный момент, e /2mec 7·109 (солнечные нейтрино) Время жизни / Масса, сек/эВ 300 (реакторные нейтрино) + Лептонное число Le Лептонные числа L, L 1924 г.

В. Паули предложил принцип Паули Принцип Паули — фундаментальный закон природы для системы частиц с полуцелым спином, заключающийся в том, что два фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии.

Паули обосновал свой принцип на основе анализа экспериментальных данных.

В соответствии с принципом Паули происходит заполнение электронных оболочек атома, одночастичных оболочек атомного ядра.

Вольфганг Паули (1900-1958) E n p + e + e Q E 1931 г.

В. Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино для объяснения спектра электронов -распада.

Нобелевская премия по физике 1945 г. В. Паули За открытие принципа Паули Типы радиоактивного распада ядер Тип Тип испускаемых частиц.

Год Авторы радиоактивного Реакция, в которой обнаружен открытия открытия распада ядер радиоактивный распад Радиоактивность Излучение, вызвавшее A.Becquerel атомных ядер потемнение фотопластинок Альфа-распад Е.Rutherford U 234 Th + 4 He 4 He, 2 92 90 –-распад Е.Rutherford Th 234 Pa + e- + e-, 90 +-распад I. et F.Joliot-Curie e +, 30 P 30 Si + e + + 15 е-захват L.Alvarez, p + e- n + протон ядра захватывает электрон атомной оболочки Гамма-распад -квант, P.Villard 92 U 234 Th 234 Pa 238 -, -распад на возбуждение состояния ядра Ядерная O.Hahn 234 *** Pa 234 Pa -квант, изомерия Спонтанное два осколка сравнимой массы Г.Н.Флеров, U, 235U, 234U деление К.А.Петржак Двойной M.G.Ingram, e-e- 2 e, 130 Te 130 Xe + e-e- + e e 52 -распад J.H.Reynolds Протонная S.Hofmann Lu 150 Yb + p p, 71 радиоактивность Кластерная H.Rose, G.Jones, Ra 204 Pb + 144 C C, 88 82 радиоактивность Д.В.Александров Двухпротонная 2p, J.Giovinazzo, Fe 24 Cr + 2p 45 радиоактивность B.Blank et al.

M.Pfutzner, E.Badura et al.

6. 1932 г. Год открытий Р. Х. Фаулер, 1933 г.: «Текущий 1932 г. оказался для физики ядра «Annus mirabilis» («годом чудес»). Представляется интересным кратко рассказать в историческом порядке о жатве новых открытий, собранной этим годом, и попытаться выяснить значение их для познания атомного ядра и влияние их на постановку проблем физики ядра.

Первым открытием было открытие нейтрона и изучение некоторых его свойств. Весьма содержательные наблюдения, произведенные Жолио (F.

Joliot) и его женой Кюри-Жолио (J. Curie-Joliot) при изучении проникающего излучения, испускаемого бериллием при бомбардировке его -лучами, были продолжены Чадвиком (J. Chadwick), причем ему удалось доказать с уверенностью, недопускающей разумных сомнений, что по крайней мере часть этого сильно проникающего излучения состоит из частиц массы 1 и заряда 0, кинетическая энергия которых равна примерно 4·106 вольт электрон;

частицы эти были названы Чадвиком нейтронами. Чадвик изучал частицы отдачи (recoil-atoms), выбиваемые излучением бериллия из слоев атомов различных элементов. Пробег и ионизирующая способность этих частиц отдачи, могут быть измерены чувствительными ионизационными методами, на основании которых масса этих частиц и максимальная их энергия может быть определена с достаточной уверенностью.

При дальнейшем изучении этого излучения было обнаружено, что при бомбардировке -лучами нейтроны излучаются как бериллием, так и бором, и что не все нейтроны излучаются с одинаковой начальной энергией.

Свойства нейтронов еще не изучены во всех деталях, но ряд характерных фактов уже выяснен. При прохождении через различные вещества нейтроны почти вовсе не взаимодействуют с электронами.

Экспериментально установлено, что при прохождении через воздух при нормальных условиях они образуют меньше одной пары ионов на пути в 3 м.

Таким образом, при прохождении через материю нейтроны тормозятся только в сущности упругими соударениямн с ядрами, которым они при этом сообщают определенный импульс. Чрезвычайно трудно придумать способ, с помощью которого можно было бы обнаружить нейтроны после того, как они потеряли свою начальную скорость.

Пропуская нейтроны через камеру Вильсона и изучая соответствующие фотоснимки, удалось показать, что помимо упругих соударений происходят также и неупругие соударения нейтронов с ядрами азота, при которых эти ядра расщепляются с испусканием -частиц. Этот новый тип процессов расщепления тем более интересен, что хорошо известное расщепление ядер путем бомбардировки их -частицами сопровождается испусканием протонов. Энергетические соображения делают вероятным, что при неупругом ударе нейтрон захватывается ядром.


Вторым замечательными открытием этого года является открытие расщепления лития протонами весьма малой кинетической энергии.

Достаточно ускоряющего потенциала примерно в 100000 V, чтобы этот процесс уже начался, хотя при более высоких напряжениях он протекает гораздо скорее. В течение последних двух лет Кокрофт и Уолтон были заняты проектированием и монтированием установки малого размера, дающей возможность экспериментировать при напряжениях до 800000 V, которая вместе с тем была бы установкой лабораторного типа, экономящей место и электрическую энергию. Первые же их эксперименты по бомбардировке различных веществ протонами сразу увенчались успехом и показали, что литий может быть расщеплен и что при этом он испускает -частицу в 800000 V энергии (пробег 8 см). Чтобы удовлетворить законам сохранения энергии и импульса, необходимо допустить, что протон захватывается ядром Li7, которое таким образом становится ядром Be8.

Это ядро, находясь в неустойчивом состоянии, немедленно взрывается с образованием двух разлетающихся в противоположные стороны -частиц, каждая из которых имеет пробег в в 8 см. То обстоятельство, что распад происходит именно таким образом, было проверено н подтверждено путем одновременного наблюдения и счета -частиц в двух прямо противоположных направлениях от бомбардируемого образца лития.

Помимо Li обнаружено также расщепление многих других элементов при бомбардировке их протонами энергий в 250000 V и выше.

Третье достижение касается существенного увеличения точности измерений энергии - и -лучей, излучаемых радиоактивными ядрами.

Конечно, уже давно считалось довольно несомненным, что -лучи испускаются -частицей или -частицами в ядре при переходе ядра из одного квантового состояния в другое состояние меньшей энергии, совершенно так же, как обычный свет излучается при аналогичном изменении состояния внешних электронов атома.

Чтобы определить систему энергетических уровней ядра, очевидно, необходимо установить, предварительно соответствия между энергиями -лучей и энергиями -лучей. Для этого в свою очередь существенно, чтобы энергии -лучей были известны по возможности с точностью до одной тысячной и чтобы с тою же точностью были известны разности между энергиями различных сортов -лучей.

Четвертое достижение этого года, о котором я должен сообщить, носит теоретический характер, и для объяснения его потребуется несколько больше времени.

Процесс излучения линейчатого спектра -лучей, являющегося вторичным результатом излучения ядром -лучей, может быть рассмотрен с двух различных точек зрения. Мы можем считать, что ядро излучает -лучи примерно так же, как осциллятор Герца излучает обычные электромагнитные волны, и что затем часть -лучей поглощается электронами (в особенности K -электронами) их собственного, породившего их атома, причем поглотившие энергию электроны вылетают из атома в форме -лучей (так называемый «внутренний фотоэффект» или «внутреннее обращение -лучей»). С другой стороны, следуя Росселанду (Rosseland) и Оже (Auger), мы можем также считать, что существует непосредственное (хотя и сложное) взаимодействие между возбужденным ядром и внеядерными (внешними) электронами атома, в результате которого ядро переходит в невозбужденное состояние, а электрон выбрасывается из атома с большой скоростью, соответствующей балансу энергии. Первый из этих способов описания более подходящ в тех случаях, когда при рассматриваемом квантовом переходе ядра -лучи фактически излучаются как таковые, ибо в этих случаях наиболее существенная часть взаимодействия сводится к воздействию поля классического электромагнитного осциллятора на электрон, находящийся в той области пространства вне ядра, пребывание электрона в которой наиболее вероятно. Второй же способ описания соответствует тем случаям, когда -лучи вовсе наружу не излучаются или излучаются лишь в малой доле, и когда во взаимодействии электрона с ядром наиболее важную роль играет область пространства внутри ядра».

1932 год знаменит не только открытием нейтрона, но и другой частицы, которая сыграла важную роль в ядерной физике – позитрона.

Позитрон был предсказан Дираком в 1930 г. и открыт Андерсоном в космических лучах. Позитрон e+ является античастицей электрона. Позитрон был первой частицей нового мира — антимира. Вслед за позитроном на ускорителях были получены антипротоны и антинейтроны. Получены ядра 3 антидейтерия, изотопы антигелия He, He, состоящие из антипротонов и антинейтронов. Получены первые атомы антиводорода, состоящего из антипротона и позитрона. Изучение свойств античастиц позволяет глубже понять симметрии, лежащие в основе организации материи.

И. Тамм: «Открытие позитрона нарушило сложившееся за последние 50 лет глубокое убеждение в вечности и неразрушимости электрона… Открытие позитрона и явлений нейтрализации позитрона и электрона, с одной стороны, и возникновение «пар», с другой, ведет к тому, что мы от этого представления о вечности электрона вынуждены отказаться и должны вернуться к исходной форме закона сохранения электричества, относящейся лишь к алгебраической сумме зарядов».

В настоящее время известны не только явление радиоактивного -распада, в которых из ядер вылетают электроны, но и явление позитрон ного + -распада, в которых из ядер вылетают позитроны.

В 1933 г. Ирен Кюри и Ф. Жолио обнаружили, что при облучении -частицами алюминия образуется радиоактивный фосфор с периодом полураспада 2,5 мин.

+ Al + 4 He 30 P + n P 30 Si 27 13 2 15 Радиоактивный фосфор 30 P, испуская позитроны, превращается в стабильное ядро 14 Si с массовым числом A = 30.

И. Кюри, Ф. Жолио, 1933 г.: «В настоящей работе удалось впервые с помощью внешнего воздействия вызвать у некоторых атомных ядер радиоактивность, могущую существовать в течение измеряемого времени в отсутствии возбуждающей причины».

Это был первый случай искусственно созданного радиоактивного изотопа.

Э. Резерфорд, 1937 г.: «Если подвергнуть бор в течение некоторого времени бомбардировке -частицами, а затем исследовать его, то он ока жется радиоактивным, т. е. испускающим поток позитронов. Активность его спадает со временем по геометрической прогрессии, убывая наполовину за 11 мин. Природа превращения и его фазы таковы:

B + 4 He 14 N 13 N + нейтрон.

Благодаря избытку энергии ядро 14 N очень неустойчиво и мгновенно раз рушается, превращаясь в более устойчивое ядро 13 N. Последнее затем мед ленно превращается в устойчивое ядро 13 C, испуская позитрон e + :

N 13 C + e + Получение этого «радиоазота» подтверждается тем фактом, что, будучи собран, он ведет себя как радиоактивный газ с химическими свойствами азота. Интересно отметить, что тот же радиоактивный газ может быть получен совершенно иным способом. Если бомбардировать углерод быстрыми протонами, то происходит следующая реакция:

C + 1 H 13 N.

Полученный таким путем радиоазот 13 N по своим радиоактивным и хими ческим свойствам идентичен газу, образующемуся при бомбардировке бора -частицами.

Подобным же образом бомбардируемый -частицами алюминий по рождает радиоактивный фосфор с атомным весом 30 и периодом полурас пада 3,2 мин. Радиофосфор, испуская позитрон, превращается в устойчивое ядро кремния с атомным весом 30.

За последние несколько лет получено большое количество радиоактив ных веществ путем бомбардировки элементов на только -частицами, но и быстрыми протонами и дейтронами. Ферми и его сотрудники показали также, что медленные нейтроны представляют собой весьма эффективное средство образования радиоактивных веществ даже из самых тяжелых элементов. Сейчас известно уже более 50 таких радиоактивных элементов, причем в большинстве случаев они распадаются с испусканием отрица тельных электронов ( -частиц). Даже самые тяжелые элементы — уран и торий — преобразуются при бомбардировке медленными нейтронами и в каждом случае порождают ряд новых радиоактивных веществ, но точная интерпретация этих превращений находится еще в процессе обсуждения».

1933 г. Искусственная радиоактивность + 27 Al 30 P + n 13 + P 30 Si 15 T1/2 =2.5мин Ирен Кюри (1897-1956) Фредерик Жолио-Кюри (1900-1958) В 1934 г. И. Кюри и Ф. Жолио открыли, что некоторые вещества (алюминий, бор, магний), подвергнутые бомбардировке -лучами полония, продолжают испускать проникающее излучение и после прекращения бомбардировки. Это излучение, как и в случае естественных радиоактивных элементов, уменьшается со временем по показательному закону, характеризуемому определенным периодом… В случае бора и алюминия излучение состоит из позитронов, энергия которых может достигать 2– 3 106 эВ.

Следовательно, здесь получены радиоактивные элементы нового типа, испускающие позитроны.

М.Кюри. «Радиоактивность»

Нобелевская премия по химии 1935 г. – Ф. Жолио-Кюри, И. Жолио-Кюри За открытие искусственной радиоактивности и синтез новых радиоактивных элементов 1932 г. Андерсон. Открытие позитрона е+ Наблюдение позитрона в Образование e + e -пары в криптоне в камере Вильсона в магнитном камере Вильсона, помещенной в поле. Тонкая изогнутая магнитное поле. След электрона прерывистая линия, идущая отклонен вверх, след позитрона – снизу вверх – трек позитрона. вниз.

Темная полоса, пересекающая трек — слой вещества, в котором позитрон теряет часть энергии и по выходе из которого двигается с меньшей скоростью. Поэтому трек искривлён сильнее.

Рождение и уничтожение частиц Позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их взаимное уничтожение — аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два –кванта e + + e 2.

Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен процесс рождения пары электрон-позитрон. В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены: одни физические объекты являются частицами, а другие — волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить природу элементарных частиц.

Элементарная частица перестала быть неизменным «кирпичиком» в строении материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения элементарных частиц. Оказалось, что элементарные частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие элементарные частицы.

7. Модель атома Бора Планетарная модель атома, созданная Резерфордом, встретила полное недоумение, так как она противоречила казавшимся тогда незыблемыми основам физики. Нужно было как-то объяснить, почему вращающиеся вокруг ядра электроны не излучают энергию и не падают на атомные ядра. Большое значение в развитии представлений о строении атома сыграла модель Н. Бора, которая представляла собой введение квантовых условий в модель Резерфорда, построенную на основе классических представлений. В 1913 г.

Н. Бор сформулировал свои знаменитые постулаты.

Н. Бор, 1913 г.: «Квантовая теория строения атомов.

1. Среди мыслимых состояний движения атомной системы имеется ряд так называемых стационарных состояний, относительно которых предполагается, что движение частиц в этих состояниях, подчиняясь в значительном объеме классическим механическим законам, отличается, однако, своеобразной механически необъяснимой устойчивостью, в результате которой следует, что всякое остаточное изменение движения системы должно состоять в полном переходе из одного состояния в другое.

2. В самих стационарных состояниях, в противоречие с классической электромагнитной теорией, излучения не происходит, однако процесс перехода между двумя стационарными состояниями может сопровождаться электромагнитным излучением, обладающим теми же свойствами, как излучение, посылаемое на основании классической теории электрической частицей, совершающей гармонические колебания с постоянной частотой. Эта частота не находится, однако, в простом отношении к движению частиц атома и определяется условием h = E E, где h – постоянная Планка, E и E - значение атомной энергии в двух стационарных состояниях, образующих начальное и конечное состоянии процесса излучения. Обратно, освещение атома электромагнитными волнами этой частоты может привести к процессу поглощения, переводящее атом из конечного состояния в начальное».

Электрон согласно модели Н. Бора в атоме водорода вращается вокруг ядра, не излучая энергию, если на его орбите укладывается целое число длин волн де Бройля n = 2 rn., n = 1, 2, 3...

Разным разрешённым орбитам rn соответствуют разные энергии электронов En me 4 13, 6 эВ En = 2 2 = n = 1, 2,, n 2n Радиус первой боровской орбиты атома водорода r1 0,53 108 см.

Электромагнитное взаимодействие электронов и атомных ядер определяет энергию связи и размеры атомов, размеры молекулярных структур.

Э. Резерфорд, 1914 г.: «Из рассмотрения атомов водорода и гелия, где водород имеет один электрон, а гелий — два, очевидно, что число электронов не может быть всегда точно равно половине атомного веса.

Это приводит к интересному предположению, которое высказал Ван-де Брок, что число единиц заряда ядра, а, следовательно, число внешних электронов, должно быть равно номеру места, которое занимает элемент по порядку возрастания атомного веса. С этой точки зрения заряды ядер водорода, гелия и углерода должны быть соответственно равны 1, 2, 6 и т.д. для других элементов, если только мы не пропускаем каких-либо элементов. Эта точка зрения была принята Бором в его теории простых атомов и молекул».

В пользу модели атома Бора свидетельствовали измеренные учеником Э. Резерфорда Г. Мозли длины волн характеристического рентгеновского излучения. Согласно модели Бора энергия электронов на первой боровской орбите атома должны быть пропорциональная квадрату заряда ядра 13, 6 Z эВ, n = 1.

En = n Мозли предположил, что энергия рентгеновского фотона также должна зависеть от квадратов заряда атомного ядра. Так как электроны внутренних оболочек атома экранированы от внешних электронов, их энергии не должны зависеть от сложных взаимодействий электронов внешних оболочек атома, ответственных за оптические спектры атомов. Измерив характеристические спектры около 50 химических элементов, Мозли получил зависимость квадратного корня частоты характеристических рентгеновских линий от заряда ядра Z. Эта зависимость называется графиком Мозли.

Действительно, полученные зависимости хорошо аппроксимируются линейной функцией Z sn =, R n где R - постоянная Ридберга, sn - постоянные экранирования для каждой линии характеристического рентгеновского спектра. Если в K -оболочке атома ( n = 1 ) возникает вакансия, то она будет заполняться за счет переходов электронов с более высокорасположенных оболочек n = 2, 3,... Переходом с этих оболочек соответствует K -серия. Переход n = 2 n = 1 имеет минимальную энергию. Эту линию называют K. Переходу n = 3 n = соответствует линия K и т.д.

Переходы на вакансию в оболочке n = 2 образуют L -серию и, соответственно, линии L, L, L … В частности, для частоты K -серии характеристического излучения = cR( Z 1) 2 1 2.

n То обстоятельство, что частота пропорциональная ( Z 1) 2, а не Z 2, объясняется частичным экранированием заряда ядра оставшимися электронами K -и L -оболочки. Часто используется также величина Ридберг Ry. 1 Ry = R hc = 13, 6 эВ.

В 1913 г. Н. Бор вычислил постоянную Ридберга, используя известные в то время значения констант m - масса электрона, e - заряд электрона, c скорость света и - постоянную Планка и получил прекрасное совпадение с величиной, полученной на основе спектроскопических измерений. Это в значительной мере способствовало признанию атомной модели Бора.

Э. Резерфорд, 1936 г.: «В нашей лаборатории преобладало представле ние о том, что заряд и атомный номер связаны между собой, и как раз тогда Мозли начал свои знаменитые опыты с Х-лучами. Он показал, что рентгеновские спектры элементов изменяются регулярно и одинаково при переходе от одного элемента к следующему. Причём все рентгеновские спектры элементов подобны, но сдвигаются по частоте при переходе от элемента к элементу. Согласно ядерной теории, рентгеновский спектр предположительно связан с движением электронов вблизи ядра, и экспериментальные результаты Мозли приводили к выводу, что характеристики рентгеновских спектров элементов зависят от квадрата целого числа, которое изменяется на единицу при переходе от одного элемента к следующему. Мозли предположил, что атомный номер соответствует заряду ядра и, начиная с алюминия-13, он смог объяснить свойства рентгеновских лучей, испускаемых элементами вплоть до золота;

в 1932 г. этот ряд был расширен до урана. Эта теория сразу же показала, каких элементов недостаёт в периодической таблице и куда следует обратить внимание для отыскания новых элементов. Тогда стало ясно, что атомный вес, который химики считали раньше важнейшим показателем в периодической системе, должен быть заменен атомным номером и свойства всех элементов должны объясняться в зависимости от их номера».

1913 г. Н. Бор. Квантовая модель атома En E E E 1936 г. Н. Бор. Капельная модель ядра Нильс Бор Н. Бор. Теория составного (компаунд) ядра (1885 – 1962) 1939 г. Н. Бор. Интерпретация деления ядер Идею Бора можно выразить такими словами. Атом ни в коей мере не похож на классическую механическую систему, которая может поглощать энергию сколь угодно малыми порциями. Из факта существования узких спектральных линий поглощения и излучения, с одной стороны, и из гипотезы световых квантов Эйнштейна с другой, следует скорее тот вывод, что атом может находиться в только в определенных дискретных стационарных состояниях с энергиями E0, E1, E2 … Таким образом, атом может поглощать лишь излучение таких частот, что h равно как раз той порции энергии, которая нужна для перевода атома из одного стационарного состояния в другое, более высокое. Поэтому линии поглощения определяются уравнениями E1 E0 = h 1, E2 E0 = h 2 …, где E0 энергия самого низкого состояния, которое характерно для атома в отсутствие каких-либо возбуждающих влияний. Если по какой-то причине атом возбуждается, т.е. переходит в состояние с энергией En E0, то он может вернуть эту энергию в виде излучения. Следовательно, он может испустить любые световые кванты, энергия которых в точном равна разности энергий каких-то стационарных состояний. Линия излучения определяется поэтому уравнением En Em = h nm. Коль скоро гипотеза Бора соответствует действительности, то возбуждённый атом может возвращаться в основное состояние различными путями, отдавая каждый раз избыток энергии излучаемым квантам.

М. Борн, «Квантовая теория атома»

Нобелевская премия по физике 1922 г. Н. Бор.

За работы по исследованию структуры атомов и их излучения 1913 г. Модель атома Бора. От квантовых постулатов к квантовой теории Из переписки Н. Бора и Э. Резерфорда:

Н. Бор: «Когда в марте 1913 г. я написал Резерфорду письмо, содержавшее набросок моей первой работы по квантовой теории строения атома, я подчеркнул в нем важность решения вопроса о происхождении линий Пикеринга и воспользовался случаем, чтобы узнать, нельзя ли в его лаборатории провести эксперименты в этом направлении;

там еще со времени Шустера имелась необходимая спектроскопическая аппаратура. Я мгновенно получил ответ, характерный как по острой проницательности Резерфорда в научных вопросах, так и по благожелательному отношению: я хочу привести это письмо целиком».

Э. Резерфорд:

20 марта 1913 г.

Дорогой д-р Бор!



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 8 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.